DE4113952C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Vorhersagen von Erdbeben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vorhersagen von Erdbeben, mit denen ein physikalischer Parameter der Erdkruste berührungslos und kontinuierlich erfaßt und bei Überschreitung eines Grenzwertes ein Alarm ausgelöst wird.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung der vorstehend genannten Art sind aus der DE-OS 39 01 125 bekannt.

Unter Erdbeben versteht man großräumige Erschütterungen des Erdbodens, bei denen akkumulierte Spannungen in der Erdkruste plötzlich ausgeglichen werden. In der Erdbebenforschung unter­ scheidet man zwischen den sogenannten Einsturzbeben, die als Folge des Zusammenbrechens unterirdischer Hohlräume auftreten, Ausbruchs- oder vulkanischen Beben, die durch Vulkanausbrüche oder Lavabewegungen ausgelöst werden, und schließlich tektoni­ schen oder Dislokationsbeben, die sich als Begleiterscheinungen von Verschiebungen oder Bruchbildungen in der Erdkruste und im oberen Erdmantel manifestieren.

Während die Einsturzbeben und die Ausbruchs- oder vulkanischen Beben seltener auftreten und meist auch keine größere Erdbeben­ stärke haben, sind die tektonischen oder Dislokationsbeben die häufigsten Erdbeben, die zugleich auch die stärksten und folgenreichsten Erdbewegungen nach sich ziehen.

Es ist bekannt, daß Erdbeben ihren Ausgang vom sogenannten Erdbebenherd oder Hypozentrum in Tiefen von bis zu 700 Kilo­ metern von der Erdoberfläche nehmen. Vom Erdbebenherd pflanzt sich das Erdbeben dann einerseits in radialer Richtung bis zum nächstgelegenen Punkt der Erdoberfläche fort, den man als Epizentrum bezeichnet. Andererseits durcheilen aber Erd­ bebenwellen auch den Erdball, und zwar in unterschiedlicher Tiefe, auch in diametraler Richtung durch den Erdmittelpunkt hindurch sowie an der Erdoberfläche oder an Schichtungen im Erdinneren reflektiert, und treten dann an unterschiedlichen Stellen der Erdoberfläche, weit vom Epizentrum entfernt, aus. Infolge der endlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit der Erdbeben­ wellen treten die genannten Erdbeben an den verschiedenen Oberflächenpunkten der Erdkugel auch nacheinander mit Zeit­ versatz auf, der typischerweise im Bereich von einigen Minuten liegt.

Das plötzliche Auftreten von Erdbeben wird dadurch erklärt, daß in der Erdkruste ein Scherbruch stattfindet, bei dem sich Teile der Erdkruste in einer Richtung parallel zur Erdoberfläche gegeneinander verschieben. Entlang der radial gerichteten Trennungsfläche zwischen den beiden sich gegeneinander ver­ schiebenden Teilen der Erdkruste entsteht zunächst eine Defor­ mation, so daß eine senkrecht zu dieser Ebene gedachte Linie entlang der Erdoberfläche sich S-förmig verbiegt. Wird nun die Grenz-Scherspannung erreicht, so findet ein plötzlicher Scherbruch statt, mit der Folge, daß die gedachte genannte Linie nun wieder zu beiden Seiten der radialen Ebene gerade verläuft, allerding mit einem gewissen Versatz in Richtung der Radialebene.

Infolge des genannten Scherbruchs breiten sich zunächst longi­ tudinale Raumwellen mittelhoher Geschwindigkeit bis etwa 13 km/s aus, die als Verdichtungswellen die Erdkruste bzw. den Erdball durcheilen. Bei dieser longitudinalen Raumwelle verdichtet sich das Material der Erdkruste periodisch in Fortpflanzungs­ richtung hin und her. Als weitere Vorläuferwellen entstehen dann langsamere transversale Wellen mit einer Geschwindigkeit von bis zu 7,5 km/s, bei denen eine Schwingung senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung auftritt. Erst danach breiten sich die noch langsameren Oberflächenwellen mit einer Geschwindigkeit von bis zu 3,8 km/s aus, die indes am energiereichsten sind und daher die größte Zerstörungskraft haben.

Es ist bekannt, daß es auf der Erdoberfläche bestimmte besonders erdbebengefährdete Bereiche gibt, nämlich die Bereiche der jungen Faltengebirge und Bruchzonen, besonders im zirkumpazi­ fischen Gürtel sowie im transatlantischen Gürtel, wobei in den beiden genannten Gebieten etwa 90% aller Erdbeben auftre­ ten.

Um die Menschen gegen die Folgen von Erdbeben zu schützen, sind zum einen zahlreiche passive Schutzmaßnahmen bekannt geworden, die unter dem Sammelbegriff der erdbebensicheren Bauweise zusammengefaßt werden können.

Andererseits hat es auch schon mannigfaltige Vorschläge gegeben, das Auftreten von Erdbeben vorherzusagen.

So wird in der eingangs genannten DE-OS 39 01 125 vorgeschlagen, nahende Erdbeben durch Messung, Registrierung und Analyse solcher Temperaturerhöhungen im Bereich geotektonischer Ver­ werfungszonen vorauszusagen, die nicht klima- oder durch den Tagesablauf bedingt sind, sondern durch Umwandlung der in Form von mechanischer Druckeinwirkung zugeführten tektonischen Energie in Gesteinswärme. Bei diesem Vorschlag berücksichtigte man, daß anläßlich des Erdbebens vom 6. Mai 1976 in der itali­ enischen Provinz Friaul schlagartig höhere Wassertemperaturen um etwa 30°C gemessen wurden, die für die Jahreszeit ungewöhn­ lich hoch waren. Entsprechende Beobachtungen sind aus zahlrei­ chen historischen Berichten über Erdbeben zu entnehmen, bei­ spielsweise aus einem Bericht von Mercalli über das Erdbeben vom 16. November 1894 in Kalabrien, aus einem Bericht von Immanuel Kant über das Erdbeben vom 1. November 1755 in Lissabon und von Alexander von Humboldt über das Erdbeben in Venezuela von 1799.

Bei einem weiteren vorgeschlagenen Verfahren zum Vorhersagen von Erdbeben, wie es aus der DE-OS 37 36 873 bekannt geworden ist, ist vorgesehen, Erdbeben durch Feststellung und Messung seismischer Bodenschwingungen im Ultraschallbereich vorher­ zusagen. Dabei machte man sich die Erkenntnis zunutze, daß es von einer Reihe von Tieren bekannt ist, speziell solchen, die in Erdhöhlen leben, kurz vor einem Erdbeben ihre Schlupfwinkel oder Behausungen zu verlassen. Beobachtungen dieser Art sind z. B. anläßlich des Erdbebens in der Provinz Liaoning/China im Jahre 1975 gemacht worden. Bei dem genannten Verfahren wird hierzu angegeben, daß das erwähnte Verhalten der Tiere darauf beruhe, daß diese Ultraschallschwingungen wahrnehmen, die von dem Bebengebiet ausgehen, in welchem es zum Ausbruch eines Erdbebens kommen wird, und zwar dadurch, daß, bedingt durch den außerordentlich hohen Druck der Erdschollen und bereits minimale druckbedingte Verschiebungen derselben, hochfrequente Schwingungen im Ultraschallbereich erzeugt werden.

Aus der US-Z "Geophysical Prospecting 33" (1985), Seite 1232- 1239 ist ein weiteres Verfahren zur Vorhersage von Erdbeben bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren müssen zwei Bohrlöcher im Abstand von etwa 70 m mit einer Tiefe von jeweils einigen Kilometern niedergebracht werden. In eines der Bohrlöcher wird ein Sender für Hochfrequenzsignale und in das andere Bohrloch ein entsprechender Empfänger für die Hochfrequenzsignale eingesetzt. Die Signalfrequenz liegt dabei zwischen 50 und 1000 MHz. Mit dieser Meßanordnung kann die Dielektrizitätskonstante des Gesteins zwischen den beiden Bohrlöchern gemessen werden. Die Dielektrizitätskonstante ist für einen Feuchtigkeitsgehalt zwischen 1% und 10% aus der Literatur bekannt. Bei dem bekannten Verfahren wird von einem Modell für die Entstehung von Erdbeben ausgegangen, nach dem der Wassergehalt im Gestein unmittelbar vor dem Ausbruch eines Erdbebens stark ansteigt. Durch die Messung der Dielektrizitätskonstante soll mittelbar der Wassergehalt erfaßt und damit eine Vorhersage von Erdbeben möglich werden.

Dieses bekannte Verfahren erfordert damit einen extremen Aufwand, der mit zwei Millionen US-$ allein für die Bohrung eines der beiden Bohrlöcher angegeben wird.

Eine einfache Anordnung zum Signalisieren von Erderschütterungen bestimmten Schwellenwertes ist in der DE-OS 30 14 259 beschrieben. Bei dieser bekannten Anordnung wird ein in einen Stromkreis geschaltetes Pendel verwendet, das bereits bei geringen Erschütterungen der festen Erdkruste den Stromkreis schließt und damit einen Alarm auslöst.

Nachteil der genannten klassisch-akademischen Verfahren ist, daß eine zuverlässige Interpretation von Seismogrammen äußerst schwierig ist und bis zum heutigen Tage noch nicht die Zuver­ lässigkeit erreicht wurde, die erforderlich ist, um in verant­ wortungsbewußter Weise einen Erdbebenalarm mit allen sich daraus ergebenden Folgen auslösen zu können. Erschwerend ist bei dieser Vorgehensweise vor allem, daß eindeutig meßbare Erdbebenschwingungen erst unmittelbar vor dem Auftreten des Erdbebens unter Umständen nur einige Minuten vor dem Auftreten des Erdbebens, gemessen werden können, zu einem Zeitpunkt also, zu dem eine Erdbebenwarnung viel zu spät käme. Zwar weiß man, daß vor "großen" Erdbeben in aller Regel zeitversetzt sogenannte Vorbeben auftreten, deren Amplitude ist jedoch äußerst gering, und daher ist eine sichere Identifizierung eines Vorbebens als Vorbote zu einem "großen" Erdbeben äußerst schwierig. Schon gar nicht gelingt dies mit einfachen Pen­ delanordnungen, die bereits beim Vorbeifahren eines schweren Kraftfahrzeuges ansprechen.

Was die eingangs genannten Verfahren angeht, die auf einer Messung von Ultraschallschwingungen oder Temperaturveränderungen beruhen, so ist auch deren Zuverlässigkeit noch nicht nach­ gewiesen.

Es ist in ganz anderem Zusammenhang bekannt, die Technik der kernmagnetischen Resonanz auch zu Messungen in der Nähe der Erdoberfläche einzusetzen.

So ist es aus der EP-OS 2 37 323 bekannt, im Zuge der Prospektie­ rung von fossilen Brennstoffen nach dem Niederbringen einer Probebohrung eine Kernresonanzsonde im Bohrloch herabzulassen, um dann im zylindrischen Umgebungsraum der Sonde Messungen mittels Kernresonanz vorzunehmen und auf diese Weise das Vorhandensein von Erdöl u. dgl. festzustellen.

Aus der DE-PCT-Veröffentlichung 36 90 746 ist in diesem Zusam­ menhang eine Einrichtung zum Messen von Parametern der Lager­ stätten unterirdischer Mineralien bekannt, bei der ebenfalls die Technik der Kernresonanz eingesetzt wird, um unterirdische Lagerstätten von kernresonanzaktiven Mineralien aufzufinden. Hierzu wird eine Drahtschleife auf die Erdoberfläche aufgelegt und ein hochfrequenter Wechselstrom durch die Drahtschleife geschickt, um im Inneren der Drahtschleife ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld zu erzeugen. In Zusammenwirkung mit dem Erdmagnetfeld kann auf diese Weise in bestimmten Flözen unterhalb der Erdoberfläche Kernresonanz angeregt und bestimmt werden, ob ein bestimmtes Flöz z. B. eine mineralhaltige Flüssig­ keit führt.

Bei den beiden letztgenannten bekannten Verfahren ist jedoch keinerlei Bezug zu Verfahren angegeben, mit denen die Vorhersage von Erdbeben möglich wäre.

Abgesehen von der bereits erwähnten mangelnden Zuverlässigkeit bekannter Verfahren zum Vorhersagen von Erdbeben ist den bekannten Verfahren, z. B. gemäß DE-OS 24 40 312, auch der Nachteil zu eigen, daß zum einen ein hoher apparativer Meßauf­ wand durch die zahlreichen benötigten Geophone erforderlich ist, die an unterschiedlichen Punkten der Erdoberfläche an­ geordnet werden müssen. Zum anderen ist niemals auszuschließen, daß bei Reflexionsmessungen durch den erforderlichen primären Anstoß mittels Sprengstoff o. dgl. ein tektonischer Prozeß überhaupt erst ausgelöst wird, der ohne diesen Anstoß vielleicht gar nicht abgelaufen wäre.

Den Verfahren gemäß DE-OS 37 36 873 und 39 01 125 ist demgegenüber der Nachteil zu eigen, daß Phänomene an der Erdoberfläche erfaßt werden, die ihren Ursprung durchaus auch in anderen Ursachen haben können. So sind zahl­ reiche natürliche Ereignisse denkbar, die Ultraschallschwin­ gungen zur Folge haben, und auch ungewöhnliche Temperatur­ erhöhungen sind gerade in Anbetracht der gegenwärtig ablaufenden Klimaveränderungen nichts so Typisches, daß man wegen ihres Auftretens einen Erdbebenalarm auslösen könnte.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen eine zuverlässigere Aussage über das bevorstehende Auftreten von Erdbeben möglich ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 5.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst, weil die magnetische Spinresonanz, d. h. die kernmagnetische Resonanz (NMR) oder die Elektronenspinresonanz (ESR) analytische Verfahren sind, mit denen extrem empfindliche Messungen verschiedenster physikalischer Parameter möglich sind. So ist die magnetische Spinresonanz in besonderem Maße geeignet, durch immer verfeinerter Kriterien die Wahrscheinlichkeit einer zutreffenden Vorhersage immer weiter zu erhöhen, was bei Messungen relativ simpler Naturereignisse, wie Schwingungen im Schall- oder Ultraschallbereich oder Temperaturen von Oberflächengewässern, nicht möglich ist, da diese nur durch ein oder zwei Meßwerte gekennzeichnet sind, während als Ergebnis von Messungen der magnetischen Spinresonanz komplette Spektren vorliegen, die äußerst komplizierte Zustände der Materie wiedergeben.

Ein weiterer, ganz besonderer Vorteil der Verwendung kernmagnetischer, volumenselektiver Spinresonanz ist, daß Messungen möglich sind, ohne daß der auszumessende Volumenbereich sich in unmittelbarer Nähe der Meßapparatur befindet. Diese volumenselektiven Messungen sind zwar an sich bekannt, aber in anderen Bereichen der Meßtechnik, nämlich beispielsweise in der medizinischen Diagnostik, wo volumenselek­ tive NMR-Messungen im Rahmen der sogenannten Kernspintomographie vorgenommen werden. Während jedoch in der medizinischen Diagno­ stik Volumenbereiche in der Größenordnung von Kubikmillimetern ausgemessen werden, ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen, volumenselektive Messungen an Volumenbereichen in der Größenordnung von Kubikmetern bis zu Kubikkilometern der Erdkruste vorzunehmen.

Wie bereits weiter vorne erwähnt wurde, dient die magnetische Spinresonanz dazu, um die Struktur der Materie in Form eines Spektrums auszumessen. Dies bedeutet indes nicht, daß mit der magnetischen Spinresonanz nur "analytische" Messungen möglich wären, mit denen "nur" die chemische Zusammensetzung von Substanzen ausgemessen werden könnte. Ein weiterer Freiheitsgrad bei derartigen Messungen besteht nämlich darin, daß sich die chemische Zusammensetzung der Materie nicht nur im Rahmen üblicher chemischer Prozesse verändern kann, sondern auch unmittelbar unter dem Einfluß tektonisch relevanter physikali­ scher Parameter, insbesondere der Temperatur und des Drucks.

So kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise der Vorschlag der DE-OS 39 01 125 realisiert und eine Tempera­ turerhöhung im Bereich der Erdkruste gemessen werden, indem mittelbar der Einfluß der Temperaturerhöhung auf die chemische Substanz eines Volumenbereichs der Erdkruste detektiert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch nicht auf diesen Parameter beschränkt, es können vielmehr auch Druckeinflüsse oder gleichzeitige Einflüsse von Druck und Temperatur gemessen werden, ebenso wie chemisch verursachte Veränderungen der chemischen Zusammensetzung der Materie, beispielsweise Änderungen in der chemischen Zusammensetzung des Grundwassers.

Die Erfindung eröffnet damit völlig neue Perspektiven zum Vorhersagen von Erdbeben durch volumen­ selektive Ausmessung bestimmter Volumenbereiche, die im Hinblick auf den bevorstehenden Ausbruch eines Erdbebens besonders signifikante Zustandsveränderungen zeitigen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den zeitlichen Verlauf eines Erdbebens, dargestellt über die Erdbebenstärke, für ein Erdbeben, wie es am 4. Februar 1975 in der Provinz Liaoning/China stattgefunden hat;

Fig. 2 eine schematisierte Seitenansicht einer Vorrichtung für Spinresonanz-Signale;

Fig. 3 eine Darstellung zur Erläuterung der kernmagneti­ schen Resonanz;

Fig. 4 ein erstes Blockschaltbild einer Kernresonanz-Apparatur in Brückenschal­ tung;

Fig. 5 ein zweites Blockschaltbild einer Kernresonanz-Apparatur in Induktions­ anordnung;

Fig. 6 eine Darstellung zur Erläuterung einer gepulsten Kernresonanz;

Fig. 7 bis 9 Zeigerdarstellungen zur Erläuterung eines Kern­ resonanz-Spin-Echo-Experimentes;

Fig. 10 eine zeitliche Darstellung eines Impulsprogrammes zur Erzeugung des anhand der Fig. 7 bis 9 veran­ schaulichten Experimentes;

Fig. 11 eine weitere Darstellung, ähnlich Fig. 2, zur Erläuterung einer Tiefencodierung mit Hilfe einer Variation der Feldstärke eines elektromagnetischen Wechselfeldes;

Fig. 12 eine Darstellung zur Erläuterung einer zweidimen­ sionalen Bildgebung.

In Fig. 1 ist ein Diagramm dargestellt, bei dem auf der Abszisse das Kalenderdatum D aufgetragen ist. Auf der Ordinate ist mit A die Anzahl der Beben pro Stunde aufgetragen.

Das Diagramm gemäß Fig. 1 zeigt eine Messung, die anläßlich des sogenannten Haicheng-Bebens in der Provinz Liaoning, China, zwischen dem 1. Februar und dem 4. Februar 1975 aufgenommen wurde. Mit VB ist dabei der zeitliche Bereich der sogenannten Vorbeben bezeichnet, während HB das Hauptbeben am 4. Februar 1975 bezeichnet.

Man erkennt aus Fig. 1 deutlich, daß es am 1. Februar und 2. Februar 1975 zu wenigen vereinzelten Vorbeben kam, die dann während des 3. Februar 1975 zahlenmäßig stark zunahmen, am 4. Februar 1975 mit etwa 60 Vorbeben ihren Maximalwert erreichten, bis dann am Nachmittag des 4. Februar 1975 das mit 1 in Fig. 1 bezeichnete Hauptbeben einsetzte. Die Größen­ klasse (Magnitude) dieses Hauptbebens 1 erreichte den Wert von 7,3 auf der sogenannten Richter-Skala.

Aus Fig. 1 wird deutlich, daß vor dem eigentlichen Hauptbeben 1 eine Vielzahl von Vorbeben auftritt, teilweise auch in genügend zeitlichem Abstand vor dem Auftreten des Hauptbebens, um eine Erdbeben-Vorwarnung auszulösen, bei der noch genügend Zeit bleibt, um die Bevölkerung zu Schutzmaßnahmen aufzurufen oder in geeigneter Form zu evakuieren.

Es wurde bereits eingangs erwähnt, daß ein Erdbeben bzw. die zum Ausbruch des Erdbebens führenden tektonischen Prozesse stets mit Veränderungen im Bereich der Erdkruste einhergehen. Diese Veränderungen manifestieren sich typischerweise in Druckänderungen, Temperaturänderungen oder in Änderungen der chemischen Zusammensetzung der Materie der Erdkruste, wobei die letztgenannte Veränderung entweder eine mittelbare Folge der Änderung von Druck oder Temperatur sein kann oder aber auch eine unmittelbare Folge chemischer Prozesse.

In Fig. 2 bezeichnet 10 die Erdkruste und 11 die Erdoberfläche. Man erkennt ferner in der Seitenansicht eine Sendespule 15 mit einer vertikal gerichteten Spulenachse 20. Die Sendespule 15 wird über ein Kabel 16 mit einem Hochfrequenzstrom i ge­ speist, so daß die Sendespule 15 ein elektromagnetisches Wechselfeld mit Feldlinien 21 erzeugt, deren zugehörige komplexe Feldstärke in Fig. 2 mit H₁ an den entsprechenden Vektoren angegeben ist.

In dem in Fig. 2 dargestellten Raumbereich ist ferner das erdmagnetische Feld wirksam, das in Fig. 2 mit einem Pfeil B₀ symbolisiert dargestellt ist. Das erdmagnetische Feld B₀ verläuft in dem in Fig. 2 dargestellten Raumbereich in einer Richtung 22, deren Inklination zur Erdoberfläche von der geographischen Lage des jeweiligen Raumbereichs abhängt und, bei größeren Tiefen innerhalb der Erdkruste, auch von deren chemischer Zusammensetzung.

Es sollte in diesem Zusammenhang erwähnt werden, daß die Richtung des erdmagnetischen Feldes makroskopisch so angenommen wird, daß die Feldlinien in der Nähe der geographischen Pole radial aus der Erdoberfläche austreten und sich dann über die Erdoberfläche schließen, so daß die Feldlinien im Bereich des Äquators tangential zur Erdoberfläche verlaufen. Die Richtung 22 der Fig. 2 hängt damit vom jeweiligen Breitengrad an der Erdoberfläche ab.

Im Inneren der Erde ist der Verlauf der Feldlinien nicht in dieser einfachen Form zu beschreiben, weil das erdmagnetische Feld seinen Ursprung in elektrischen Stromsystemen im Erdinneren hat, und zwar unterhalb der Kern-Mantel-Grenze in einer Tiefe von etwa 2900 Kilometern. Auch die Gesteine der Erdkruste, die das sogenannte Krustenfeld erzeugen, wirken sich auf die Richtung der Feldlinien des erdmagnetischen Feldes innerhalb der Erde aus.

Der Verlauf der Feldlinien des erdmagnetischen Feldes innerhalb der Erde ist recht gut bekannt, weil auf dem Gebiet des Paläo­ magnetismus die Magnetisierungsrichtungen an Gesteinsproben ausgemessen wurden, um daraus die sogenannten Polwanderungs­ kurven abzuleiten, die z. B. die Hypothese bestätigt haben, daß die jetzigen Erdteile ursprünglich einer einzigen riesigen Kontinentalmasse, der sogenannten Pangäa, zugehörten. Im Rahmen des Paläomagnetismus, wird auch heute noch laufend das erdmag­ netische Feld ausgemessen, um die sogenannte Säkularvariation, d. h. die langsame zeitliche Änderung des erdmagnetischen Hauptfeldes mit einer Periodizität von mehreren einhundert Jahren zu überwachen.

Da andererseits die erdbebenaktiven Bereiche der Erdoberfläche ebenfalls gut bekannt sind, bereitet es dem Fachmann keine Schwierigkeiten, für jede Meßstelle im Bereich der Erdkruste zunächst die dort vorherrschende Richtung des erdmagnetischen Feldes aus vorhandenen Messungen zu entnehmen oder notfalls zu messen. Hierin liegt auch deswegen keine Schwierigkeit, weil die Meßstellen, wie erwähnt, festliegen und nicht örtlich variiert werden müssen.

Es ist bekannt, daß das lokal im wesentlichen homogene Erdmag­ netfeld einen Betrag von etwa 50 µT hat. Das erd­ magnetische Feld B₀ kann damit zur Erzeugung einer kernmagne­ tischen Resonanz der Protonen, d. h. der Wasserstoffatome in den Molekülen der Erdkruste, verwendet werden.

Fig. 3 zeigt in äußerst schematisierter Darstellung ein solches Proton 30, dessen Magnetisierungsvektor M in Richtung des erdmagnetischen Feldes B₀ ausgerichtet ist und entlang einer Bahn 31 um diese Richtung, die in Fig. 3 mit einer z-Achse eines gedachten Koordinatensystems zusammenfällt, präzediert. Legt man nun in einer zur z-Richtung orthogonalen Ebene x/y ein elektromagnetisches Wechselfeld H₁ an, wie mit einem weiteren Pfeil in Fig. 3 symbolisiert, so kann die Präzessionsbewegung sämtlicher Magnetisierungsvektoren M aller Protonen 30 eines bestimmten Raumbereichs synchronisiert werden. Die Frequenz des elektromagnetischen Wechselfeldes H₁ ergibt sich dabei aus der Stärke des wirkenden Gleichfeldes, hier also des erdmagnetischen Feldes B₀, und zwar über das sogenannte gyro­ magnetische Verhältnis, das den Quotienten von Frequenz und Feldstärke für jede kernresonanzaktive Kernart charakterisiert. Bei Protonen beträgt das gyromagnetische Verhältnis etwa 40 MHz/T, so daß im Erdmagnetfeld von 5 · 10^-5 T eine Kernresonanz­ frequenz von etwa 2 kHz vorliegt. Dies entspricht einer Vakuum- Wellenlänge von etwa 150 Kilometern bzw. einer Wellenlänge im Wasser, dessen Dielektrizitätskonstante mit etwa 9 angenommen werden kann, von etwa 17 Kilometern.

Wie bereits erwähnt, muß das zum Anregen der Kernresonanz eingestrahlte elektromagnetische Wechselfeld H₁ senkrecht zur Richtung des vorhandenen Gleichfeldes stehen. Da die Feldlinien 21 des von der Spule 15 in Fig. 2 erzeugten elektromagnetischen Wechselfeldes gekrümmt verlaufen, ist jeweils die Projektion des Feldstärkevektors H₁ an jedem Punkte des Raumbereichs zu berücksichtigen.

In Fig. 2 ist in einem ersten Punkt 23 zu erkennen, daß die Projektion des Feldstärkevektors H₁ nur H_1R beträgt, weil im ersten Punkte 23 die Feldlinie unter einem relativ spitzen Winkel die Richtung 22 des erdmagnetischen Feldes B₀ schneidet. In einem zweiten Punkt 24 stimmt die Projektion H_1R′ des Feldstärkevektors H_1′ hingegen in etwa mit diesem überein, weil im zweiten Punkt 24 die Feldlinie 21 die Richtung 22 etwa unter 90° schneidet. In einem dritten Punkt 25 ist hingegen die Projektion H_1R′′ wieder kleiner als der Vektor H_1′. Aller­ dings nimmt die Intensität der Projektionen H_1R, H_1R′ und H_1R′′ vom ersten Punkt 23 zum dritten Punkt 25 hin zu, weil die Intensität der Feldstärke des elektromagnetischen Wechsel­ feldes H₁ in Richtung der Spulenachse 20 zur Spule hin zunimmt.

Insgesamt bedeutet dies, daß bei einer praktisch realisierbaren Einstrahlung eines elektromagnetischen Wechselfeldes H₁ mit einer definierten räumlichen Verteilung der Feldstärkevektoren H₁ nach Betrag, Richtung und Phase gerechnet werden muß.

Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild, bei dem ein z. B. von einem Impulsgenerator 34 steuerbarer Sender 35 eine Brückenschaltung 36 speist, die in drei Brückenzweigen einstellbare normierte komplexe Widerstände und im vierten Brückenzweig die Sendespule 15 aufweist. Im Querzweig der Brückenschaltung 36 ist ein Verstärker 37 angeordnet, der ausgangsseitig mit einem Schreiber 38 oder einem sonstigen Speicher verbunden ist, dem über einen Eingang 39 ein Signal s zuführbar ist. Der Ausgang des Ver­ stärkers 39 ist ferner an eine Schwellwertstufe 40 angeschlos­ sen, die ihrerseits eine Alarmanzeige 41 ansteuert.

Im Falle der Verwendung eines Impulsgenerators 34 zur Anregung gepulster Kernresonanzen, wie dies weiter unten anhand der Fig. 6 bis 10 noch erläutert werden wird, kann zweckmäßigerweise vor dem Verstärker 37 ein Schalter vorgesehen sein, um den Eingang des Verstärkers 37 während der Impulsdauer zu sperren und in den Impulspausen zu öffnen.

Fig. 5 zeigt demgegenüber eine variierte Anordnung, bei der ein von einer Durchstimmeinheit 42 steuerbarer Sender 35a lediglich eine Sendespule 15a speist. Eine von der Sendespule 15a galvanisch getrennte Empfangsspule 15a′, deren Spulenfläche vorzugsweise senkrecht zur Spulenfläche der Sendespule 15a steht, ist ihrerseits an einen Verstärker 37a angeschlossen, dem die bereits zu Fig. 4 erläuterten Schaltelemente nach­ geordnet sind. Die Empfangsspule 15a′ kann hierzu beispielsweise vergraben sein.

Die Wirkungsweise der Anordnungen gemäß den Fig. 4 und 5 ist wie folgt:

Befindet sich bei der Anordnung gemäß Fig. 4 die auch als Empfangsspule wirkende Sendespule 15 an der Erdoberfläche 11, so wird bei der oben beschriebenen Einstellung der Frequenz des Senders 35 auf die Protonen-Resonanzfrequenz F_p in der Umgebung der Sendespule 15 Protonenresonanz in den Protonen der Materie der Erdkruste 10 angeregt. Hierdurch ändert sich der komplexe Widerstand der Sendespule 15, was zu einer ent­ sprechenden Verstimmung der Brückenspaltung 36 führt. Durch Einstellung der komplexen Referenzwiderstände der Brückenschal­ tung 36 kann nun die Spannung im Querzweig während der Messung auf 0 eingestellt werden.

Verändert sich nun jedoch die chemische Zusammensetzung der Materie der Erdkruste als unmittelbare Folge einer sich tek­ tonisch aufbauenden Spannung oder als mittelbare Folge einer Druck- oder Temperaturerhöhung, so verändert sich das empfangene Resonanzsignal entsprechend, weil jetzt eine andere Menge von Protonen zu Protonenresonanzen angeregt wird. Das von der Sende/Empfangsspule 15 aufgenommene Resonanzsignal vermindert sich also in dem Ausmaße, wie sich die chemische Zusammensetzung der Materie der Erdkruste 10 ändert.

In der Schwellwertstufe 40 kann nun ein Schwellwert U₁, der Spannung U im Querzweig der Brückenschaltung 36 vorgegeben werden, der zu einer Auslösung der Alarmanzeige 41 führt.

Bei der Anordnung der Fig. 5 wird hingegen stets ein maximales Kernresonanzsignal in die orthogonal zur Sendespule 15a an­ geordnete Empfangsspule 15a′ induziert, weil der umlaufende Magnetisierungsvektor M (vgl. Fig. 3) auch in eine senkrecht zur Richtung des Hochfrequenzfeldes H₁ gerichtete Spule eine Meßspannung induziert, ohne daß die Empfangsspule 15a′ selbst vom Erregerfeld H₁ beaufschlagt würde.

Verändert sich nun wiederum die chemische Zusammensetzung der Materie der Erdkruste 10, so verändert sich in der bereits beschriebenen Weise das erzeugte Kernresonanzsignal, und es ändert sich die Spannung, die in die Empfangsspule 15a′ in­ duziert wird. Auch in diesem Falle wird man die Schwellwertstufe 40a so einstellen, daß bei Überschreiten eines bestimmten Schwellwertes (z. B. eines Fensters) die Alarmanzeige 41a ausgelöst wird. In vorteilhafter Weise kann auch überwacht werden, ob die gemessene Protonendichte sich schneller als ein vorgegebener Wert ändert.

Der Impulsgenerator 34 in Fig. 4 sowie die Durchstimmeinheit 42 in Fig. 5 können dazu verwendet werden, um statt eines Dauerstrichsignales konstanter Frequenz und Amplitude ein getastetes Dauerstrichsignal oder ein frequenzvariables Signal oder ein Signal variabler Amplitude oder ein Rauschsignal oder Kombinationen dieser Signale zu erzeugen, wie dies weiter unten noch erläutert werden wird.

Insbesondere die Verwendung eines frequenzvariablen Signals oder eine impulsweise Anregung mit anschließender Fourier-Trans­ formation gestattet die Aufnahme von Spektren und nicht nur die Aufnahme einer Spannung, die ein direktes Maß der Protonenkonzentration ist. Bei der Spektrenaufnahme ist darüber hinaus noch die Möglichkeit eröffnet, strukturelle Veränderungen in der Materie der Erdkruste zu überwachen, die sich beispiels­ weise als Veränderungen der Linienform im Spektrum, als Verän­ derung des Linienabstandes oder als Auftreten oder Verschwinden von Linien überhaupt manifestieren.

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde generell davon ausgegangen, daß die kernmagnetische Resonanz in dem als Gleichfeld verwendeten erdmagnetischen Feld B₀ angeregt wird. Es versteht sich jedoch, daß zusätzlich zu dem erdmagnetischen Feld B₀ auch extern erzeugte statische Magnet­ felder herangezogen werden können, und zwar mit allen Arten von Spulenkonfigurationen, wie sie beispielhaft für die Sende­ spulen 15 bislang erläutert wurden. Mit einem solchen extern erzeugten statischen Magnetfeld kann die Meßfeldstärke von dem verhältnismäßig geringen Wert von 5 · 10^-5 T des erdmagneti­ schen Feldes B₀ um eine oder mehrere Größenordnungen gesteigert werden, so daß bei entsprechend angepaßter Meßfrequenz auch eine Erhöhung der Signalintensität eintritt, die bei Kernreso­ nanzexperimenten näherungsweise proportional zur Meßfrequenz ist.

Da die Intensität der magnetischen Feldstärke sowohl bei einem elektromagnetischen Wechselfeld wie auch bei einem Gleichfeld bei Verwendung einer Spule von der Amperewindungszahl abhängt, wird als Magnetspule eine Spule verwendet, die aus einem supraleitenden Draht gewickelt ist. Derartige supraleitende Spulen gestatten es bekanntlich, sehr hohe Amperewindungszahlen zu erreichen, ohne hierfür die bei normal leitenden Luftspulenanordnungen erfor­ derliche elektrische Leistung bereitstellen zu müssen. Besonders bevorzugt ist bei Einsatzfällen der hier interessierenden Art der Einsatz moderner Hochtemperatur-Supraleiter auf keramischer Basis, wie sie heute bereits bei Temperaturen in der Größen­ ordnung des flüssigen Stickstoffs und darüber bekannt sind.

Weiterhin wurde nach dem bisher Beschriebenen lediglich erkannt, ob eine signifikante Veränderung der chemischen Zusammensetzung der Materie der Erdkruste 10 im überwachten Raumbereich überhaupt vorhanden ist oder nicht.

Um darüber hinaus auch eine exakte Position des Punktes der Veränderung ermitteln zu können, werden nachstehend einige Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben, die dies ermöglichen.

Bei einer ersten Gruppe von Ausführungsbeispielen wird hierzu das Verfahren der Impuls-Kernresonanz eingesetzt.

Fig. 6 zeigt zu dessen Veranschaulichung eine Darstellung ähnlich der Fig. 3. Während im Ruhezustand der Fig. 3 der Magnetisierungsvektor M eines Protons gleichmäßig um die Koordinatenrichtung z, d. h. die Richtung des wirksamen Gleich­ feldes präzediert, wird nun das Proton durch einen Hochfre­ quenzimpuls, d. h. ein getastetes Dauerstrichsignal der Protonen-Reso­ nanzfrequenz mit einstellbarer Dauer und einstellbarer Amplitude angeregt. Ein Magnetisierungsvektor M, der aus dem Ruhezustand der Fig. 3 heraus einem solchen Hochfrequenzimpuls ausgesetzt wird, durchläuft mit seiner Spitze eine im Raum geschwungene wendelförmige Bahn 70, wie dies in Fig. 6 darge­ stellt ist. Je nachdem, wie groß die Amplitude und die Zeitdauer des Hochfrequenzimpulses eingestellt wurde, wird der Magneti­ sierungsvektor M aus der Richtung z z. B. um 90° bis in die x/y-Ebene ausgelenkt oder sogar um 180° darüber bis in die -z-Richtung. Im ersten Falle spricht man von einem sogenannten 90°-Impuls, im zweiten Falle von einem sogenannten 180°-Impuls.

Fig. 7 bis 9 zeigen im sogenannten rotierenden System x′/y′ ein Experiment, bei dem zunächst einer Substanz, deren Spins durch einen gemeinsamen Magnetisierungsvektor M in z-Richtung charak­ terisiert sind, ein 90°-Impuls aufgeprägt wird. Der Magnetisie­ rungsvektor M wird hierdurch aus der z-Richtung um 90° z. B. in die x′-Richtung verdreht, wie dies in Fig. 7 mit M′ bezeich­ net ist. Infolge von Feldinhomogenitäten fächern die Magneti­ sierungsvektoren aus der x′-Richtung nun beidseitig auf, wie mit M′′ in Fig. 8 gekennzeichnet. Wird nun dem Spinsystem in diesem Zeitpunkt ein 180°-Impuls aufgeprägt, so laufen alle aufgefächerten Magnetisierungsvektoren M′′ in der x′/y′-Ebene in die entgegengesetzte Richtung und laufen in etwa zu demselben Zeitpunkt in Richtung der -x′-Achse zusammen. Dieses sogenannte Rephasieren manifestiert sich in einem meßbaren Echoeffekt. Weitere Einzelheiten über die sogenannte Spin-Echo-Technik sind z. B. bei Laukien, Kernmagnetische Hochfrequenz-Spektro­ skopie, in Flügge, Handbuch der Physik, Band XXXVIII/1, Springer 1958, Seiten 120 bis 376, nachzulesen.

In Fig. 10 ist hierzu eine Impulsfolge aufgetragen, bei der 73 den 90°-Impuls der Fig. 7 bezeichnet. Durch die Umklappung der Magnetisierungsvektoren M entsteht ein Induktionssignal 74, das jedoch durch die Feldinhomogenität schnell abklingt. Mit 75 ist ein darauffolgender 180°-Impuls gemäß Fig. 8 und 9 angedeutet, der in der zuvor beschriebenen Weise zu einem Spin-Echo 76 führt. Die 180°-Impulse können bei 77 und auch noch später wiederholt werden, wodurch weitere Spin-Echos 78 usw. auftreten.

Diese Impulstechnik kann man sich im hier vorliegenden Zusam­ menhang zunutze machen, wenn man sich überlegt, daß die in Fig. 10 dargestellte Impulsfolge eine Rephasierung der Mag­ netisierungsvektoren nur dann bewirkt, wenn Amplitude und Länge der Impulse ein Umkehren der Magnetisierungsvektoren M im wesentlichen um 90° bzw. 180° bewirken.

Im überwachten Raumbereich ändert sich die Länge der Impulse 73, 75 und 77 nicht. Allerdings variiert die Amplitude dieser Impulse, wie bereits oben zu Fig. 2 im Hinblick auf die im Raumbereich abnehmende Intensität von H₁ erläutert.

In Fig. 11 ist eine erfindungsgemäße Anordnung dargestellt, bei der zwei Sendespulen 15f₁ und 15f₂ nebeneinander auf der Erdoberfläche 11 angeordnet sind. Mit 20f ist die Spulenachse der Sendespule 15f₁ und mit 21f eine zugehörige Feldlinie bezeichnet. Mit 80/1 bis 84/1 sind in Fig. 11 nun Linien (bzw. in räumlicher Darstellung Flächen) gleicher Feldstärke des elektromagnetischen Wechselfeldes eingezeichnet, das von der Sendespule 15f₁ erzeugt wird. Es sei nun angenommen, daß auf der Linie 83/1 gerade eine Feldstärke vorliegt, bei der ein 180°-Impuls auf diejenigen Protonen ausgeübt wird, die sich auf der Linie 83/1 befinden. Soll nun ein mit 86 bezeichneter volumenselektierter Raumbereich auf die Veränderung der Proto­ nendichte oder auf eine spektrale Veränderung des NMR-Spektrums untersucht werden, so wird dies erkannt, weil das auf der Linie 83/1 durch 180°-Impulse selektiv erzeugte Kernresonanz­ signal kleiner ist als ein auf einer anderen Linie 82/1 oder 84/1 unter Berücksichtigung der dort herrschenden Feldstärke H₁ erzeugtes Kernresonanzsignal, das nicht durch eine Verände­ rung wie bei 86 verändert ist. In der zweiten Sendespule 15f₂ wird hingegen auf der entsprechenden Linie 83/2 keine Verände­ rung des Kernresonanzsignals registriert, weil der Ort der Veränderung (Punkt 86) nicht auf der Linie 83/2 liegt. Variiert man hingegen den Strom in der zweiten Spule 15f₂, so daß die 180°-Bedingung nun auf der Linie 82/2 erfüllt wird, so erscheint dort eine Signalveränderung, weil nunmehr die Veränderung bei 86 wirksam wird.

Da die räumliche Variation der Intensität der magnetischen Feldstärke des elektromagnetischen Wechselfeldes, das von den Spulen 15f₁ und 15f₂ erzeugt wird, bekannt ist, kann durch Messungen mit variierendem Erregerstrom in den Spulen 15f₁ und 15f₂ der volumenselektierte Bereich 86 als Schnittpunkt der Linien 83/1 und 82/2 ermittelt werden.

Auf diese Weise sind volumenselektive Messungen im Inneren der Erdkruste möglich. Man kann also beispielsweise einen in großer Tiefe verlaufenden und Grundwasser führenden Wasserlauf "anwählen", um z. B. an einem bestimmten Punkt des Wasserlaufes die mineralische Zusammensetzung des Grundwassers quantitativ oder qualitativ (spektral) zu ermitteln.

Fig. 12 zeigt in einer beispielhaften Darstellung, daß die Variation des Erregerstromes der Spulen 15f₁ und 15f₂ gemäß Fig. 11 in ein zweidimensionales Koordinatenraster 89 umgesetzt werden kann, bei dem auf der Abszisse eine Distanz s auf der Erdoberfläche und in der Ordinate die Tiefe T aufgetragen ist. Durch zyklisches Umschalten der Erregerströme des elektro­ magnetischen Wechselfeldes in den stationären Spulen 15f₁ und 15f₂ kann nun durch stufenweises Erhöhen und Vermindern der Erregerströme jedes Segment 90 des Koordinatenrasters 89 überprüft werden. Wenn nun ein Raumbereich der Erdkruste, der sich unter dem Gesichtspunkt der Entstehung von Erdbeben signifikant verändert, größere Abmessungen aufweist als dies den Kantenlängen der Segmente 90 entspricht, so kann eine zweidimensionale Silhouette 91 dieses Bereiches dargestellt werden. Aus der Form der Silhouette 91 kann nicht nur die Tiefe T und die Lage s ermittelt werden, die Form der Silhouette ist darüber hinaus auch ein weiteres Kriterium dafür, ob ein Erdbeben bevorsteht oder nicht.

Fügt man nun zu den beiden Spulen 15f₁ und 15f₂ der Fig. 11 senkrecht zur Zeichenebene noch eine dritte Spule hinzu, so kann auch eine dreidimensionale Auflösung erreicht werden. Dies führt zu einem dreidimensionalen Koordinatenraster, dessen räumliche Segmente ebenfalls durch stufenweises ändern der Erregerströme in den drei Spulen zyklisch abgefragt werden können, um diejenigen dreidimensionalen Segmente zu ermitteln, in denen die Protonenresonanz sich in der vorbestimmten Weise verändert.

Das zuvor anhand der Fig. 11 und 12 beschriebene Verfahren der selektiven Ausmessung von zweidimensionalen Segmenten 90 oder dreidimensionalen Segmenten eines zwei- oder dreidimen­ sionalen Koordinatenrasters 89 ist nur ein Beispiel von meh­ reren.

So können darüber hinaus auch zahlreiche weitere bildgebende bzw. volumenselektive Verfahren und Vorrichtungen eingesetzt werden, wie sie aus der Kernspintomographie bekannt und z. B. bei Roth, NMR-Tomographie und Spektroskopie in der Medizin, Springer 1984, beschrieben sind.

Bei diesem Verfahren werden einem Konstantmagnetfeld ein oder mehrere sogenannte Gradientenfelder überlagert. Hierunter versteht man statische Magnetfelder, deren Intensität in vorbestimmter Weise räumlich variiert. Superponiert man nun dem Konstantmagnetfeld nacheinander mehrere derartige Gradien­ tenfelder, so kann eine magnetische Codierung des Raumbereichs vorgenommen werden, indem jedem Punkt im Raumbereich zu einem bestimmten Zeitpunkt ein bestimmter Intensitätswert des Gleich­ feldes zugeordnet wird. Jedem dieser Punkte entspricht damit auch eine bestimmte Resonanzfrequenz, weil das gyromagnetische Verhältnis eine Konstante ist. Durch Variation der Frequenz des elektromagnetischen Wechselfeldes können nun nacheinander die verschiedenen Punkte des Raumbereichs angewählt und selektiv im Hinblick auf die dort vorhandenen Protonen überprüft werden. Die Frequenzvariation kann dabei entweder dadurch erreicht werden, daß man die Frequenz des elektromagnetischen Wechsel­ feldes adiabatisch durchstimmt, d. h. einen sogenannten "Fre­ quenzsweep" einstellt, es ist aber auch mit den bekannten Methoden der Kernspintomographie möglich, eine breitbandige Anregung des Raumbereiches mit einer Vielzahl von Frequenzen vorzunehmen und mittels Fourier-Transformation die Sprungantwort des Spinsystems im Raumbereich zu analysieren und abzubilden. Die hierzu erforderlichen Verfahren und Vorrichtungen sind an sich aus der Kernspintomographie bekannt und sollen daher hier nicht nochmals im einzelnen erläutert werden.

Claims (5)

1. Verfahren zum Vorhersagen von Erdbeben, bei dem ein physikalischer Parameter der Erdkruste (10) berührungslos kontinuierlich erfaßt und bei Überschreitung eines Grenzwertes ein Alarm (41) ausgelöst wird, dadurch gekennzeichnet, daß der physikalische Parameter mittels magnetischer Spinresonanz volumenselektiv im Erdmagnetfeld (B₀) gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Temperaturabhängigkeit der chemischen Zusammensetzung eines Volumenbereichs der Erdkruste (10) als physikalischer Parameter.

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Druckabhängigkeit der chemischen Zusammensetzung eines Volumenbereichs der Erdkruste (10) als physikalischer Parameter.

4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine unmittelbare Veränderung der chemischen Substanz eines Volumenbereichs der Erdkruste (10) als physikalischer Parameter.

5. Vorrichtung zum Vorhersagen von Erdbeben, mit der ein physikalischer Parameter der Erdkruste berührungslos und kontinuierlich erfaßbar und bei Überschreitung eines Grenzwertes ein Alarm auslösbar ist, gekennzeichnet durch einen Hochfrequenz-Sender, der mit einer auf der Erdoberfläche (11) aufliegenden Spulenanordnung sowie einem Empfänger für volumenselektive Spinresonanz-Signale zusammenarbeitet.